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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist auf eine Luftfeder gerichtet. Spezifischer
ist die Luftfeder eine kolbenlose Luftfeder, die zum Erzielen einer
gewünschten
Federkonstante gestaltet ist.
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Hintergrund
der Erfindung
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Luftfedern
sind für
eine Anzahl von Jahren für
Kraftfahrzeuge und verschiedene Maschinen und andere Ausrüstung verwendet
worden. Die Federn sind zum Tragen einer Aufhängungslast, wie etwa eines
Fahrzeugs, entworfen. Die Luftfeder besteht üblicherweise aus einem flexiblen,
elastomerverstärkten
Rollbalg, der sich zwischen einem Paar Endgliedern erstreckt. Der
Rollbalg ist an Endgliedern befestigt, um darin eine druckbeaufschlagte
Kammer zu bilden. Die Endglieder befestigen die Luftfeder auf beabstandeten
Bauteilen oder Teilen des Fahrzeugs oder Ausrüstung, woran die Luftfeder
zu montieren ist. Das innere druckbeaufschlagte Gas, üblicherweise
Luft, absorbiert die meiste der einem der beabstandeten Endglieder
auferlegten oder davon erfahrenen Bewegung. Die Endglieder bewegen
sich einwärts
und aufeinander zu, wenn die Feder in Einfederung ist, und weg und
auswärts
voneinander, wenn die Feder in Ausfederung ist. Die Konstruktionshöhe der Luftfeder
ist eine Nennposition der Feder, wenn die Feder weder in Einfederung
noch Ausfederung ist.
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Es
haben zwei grundlegende Gestaltungsformen von Luftfedern vorgelegen:
eine Rollbalgluftfeder, wie in US-A-3,043,582 und 5,954,316 gesehen,
und eine Luftfeder vom Faltenbalgtyp, wie in US-A-2,999,681 und
3,084,952 gesehen. Bei einer Luftfeder vom Rollbalgtyp ist der Luftbalg
ein einziger, kreisförmiger
Balg, der an beiden Enden gesichert ist. Während der Einfederung rollt
der Luftbalg an den Seiten einer Kolbenstütze ab. Bei einer Luftfeder
vom Faltenbalgtyp erstrecken sich die mehrfachen meniskusförmigen Teile
des Luftbalgs radial, wenn die Feder in Einfederung ist.
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Für jede Luftfeder
ist die Federkonstante ein Indikator der Kennzeichen der Luftfeder.
Die Federkonstante k kann durch die folgende bekannte Gleichung
ermittelt werden: k = ((n·Pa·Ae)2)/V)
+ (Pg·(dAe/dx))wobei
- n
- = Gaskonstante, typischerweise
1,38;
- Pa
- = absoluter Druck;
- Ae
- = Nutzfläche;
- V
- = Innenvolumen;
- Pg
- = Manometerdruck;
- x
- = Höhe der Luftfeder;
- dAe/dx
- = Nutzflächen-Veränderungsrate
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Die
Nutzfläche
Ae wird bestimmt durch: Ae = Fs/Pgwobei
- Fs
- = Federkraft.
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Für eine gegebene
Anwendung gibt es einen spezifizierten Betriebsdruck und Zielbelastung,
somit ist die Nutzfläche
für die
Feder festgelegt.
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In
den meisten Anwendungen ist es erwünscht, dass die Federkonstante
k relativ klein sei. In anderen Anwendungen kann es erwünscht sein, dass
die Federkonstante variabel sei, abhängig von den Einsatzbedingungen
des Fahrzeugs. Wenn beispielsweise unebene Fahrbahnflächen angetroffen werden,
wenn nur eine Achse auf einmal auf die unebene Oberfläche anspricht,
dann ist es erwünscht, eine
niedrigere Federkonstante zu haben. Wenn jedoch mehrere Achsen gleichzeitig
auf die unebene Oberfläche
ansprechen, ist es erwünscht,
eine höhere
Federkonstante zu haben.
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EP 1 045 167 offenbart eine
Luftfeder, wobei der Luftbalg auf Endgliedern ruht, wenn die Luftfeder auf
Konstruktionshöhe
ist, wodurch die Bewegung des Balgs während des Einfederns der Luftfeder
eingeschränkt
wird.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist auf eine Luftfeder gerichtet, wobei die
Federkonstante der Luftfeder einfach abzustimmen ist, um eine gewünschte Fahrleistung
zu erzielen. Spezifisch hat die erfinderische Luftfeder einen zylindrischen
Elastomerbalg, Wulstplatten und Stützringe. Der Balg ist an jedem
Ende an einer Wulstplatte gesichert. Die Stützringe sind an den Wulstplatten
gesichert, die sich radial auswärts von
den Wulstplatten erstrecken. Die Stützringe haben eine Innenschulter,
eine Außenschulter,
und eine sich zwischen den Schultern erstreckende Abrollfläche. Wenn die
Luftfeder auf Konstruktionshöhe
ist, kommt der Balg nur mit den Innenschultern der Stützringe
in Kontakt.
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Durch
Beschränken
des anfänglichen
Kontakts des Balgs mit dem Ring und Festlegen dessen, wo dieser
Kontakt stattfindet, kann die Bewegung des Balgs während des
Einfederns modifiziert werden, wodurch die Nutzflächen-Veränderungsrate
verändert
wird.
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In
einem anderen Aspekt der Erfindung können die Luftfeder und die
Ringe auch durch die Beziehung des Balgscharnierpunkts und des relativen Standorts
der Ringinnenschultern definiert sein. Jedes Balgende hat einen
Scharnierpunkt, um den sich der Balg während des Betriebs der Luftfeder
bewegt. Der Scharnierpunkt an jedem Balgende ist axial auswärts von
der benachbarten Stützringinnenschulter relativ
zu der axialen Querschnittslinie AL, die am maximalen Durchmesser
des Balgs angeordnet ist, wenn die Luftfeder auf Konstruktionshöhe ist,
gelegen.
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In
einem anderen Aspekt der Erfindung können die Luftfeder und die
Ringe auch durch die Beziehung der Höchstdurchmesser des Balgs und
der Ringe auf Konstruktionshöhe
definiert sein. Auf Konstruktionshöhe ist der Durchmesser der
Stützringe
an der Außenschulter
größer als
der Höchstdurchmesser
des Balgs.
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Die
Stützringe
können
eine Vielfalt von Konfigurationen haben. Der Stützring kann eine massive Struktur
haben oder kann eine muldenartige Konfiguration für verringertes
Gewicht haben. Die Ringe können
aus Metallen oder thermoplastischen Kunststoffen oder thermoplastischen
Harzen gebildet sein. Die Ringe können eine Vielzahl gewellter
Rippen aufweisen, um dem Ring Festigkeit zu verleihen. Der Ring kann
entweder eine sich erstreckende Nase oder eine sich erstreckende
Zunge zum Einpassen an den zugehörigen
Wulstringen haben. Der Ring kann jedwede sich auswärts erstreckende
Zunge aufweisen, um das Gleichgewicht der Luftfeder zu unterstützen, wenn
die Luftfeder montiert wird. Wenn die Ringe bei einer Luftfeder
eingesetzt werden, können
die oberen und unteren Ringe identische oder unterschiedliche Konfigurationen
haben, abhängig
von den gewünschten
Luftfederleistungsmerkmalen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird als Beispiel und unter Verweis auf die begleitenden
Zeichnungen beschrieben, worin:
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1 eine
Querschnittsansicht einer Luftfeder gemäß der vorliegenden Erfindung
ist;
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2 eine
Querschnittsansicht einer Luftfeder in Einfederung ist und die Luftfeder
auf Konstruktionshöhe
und in voller Ausfederung zeigt; und die
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3, 4, 5, 6 und 6A alternative
Ausführungen
des Stützrings
sind.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Für die vorliegende
Erfindung war es erwünscht,
eine Luftfeder mit einer größeren als
der herkömmlichen
Federkonstante k zu bilden. In Übereinstimmung
mit der Gleichung zur Ermittlung der Federkonstante k für eine bestimmte
Anwendung sind die einzigen Variablen, die manipuliert werden können, um
die Federkonstante k zu erhöhen,
das Innenvolumen V, das gesenkt werden kann, um die Federkonstante
zu erhöhen,
und die Nutzflächen-Veränderungsrate
dAe/dx, welche erhöht
werden kann, um die Federkonstante zu erhöhen. Der Erfinder der vorliegenden
Erfindung fand heraus, dass das Senken des Innenvolumens der Luftfeder,
aufgrund eines erhöhten
Gewichts von Volumenminimierern und der von solchen Volumenminimierern
erzeugten Einfederungshöhen-Interferenzproblemen,
eine ineffiziente Lösung
war. Der Erfinder fand heraus, dass die Nutzflächen-Veränderungsrate
manipuliert werden kann, um eine Luftfeder mit einer relativ großen Federkonstante
k herzustellen.
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Die
vorliegende Erfindung ist eine Luftfeder vom Rollbalgtyp, die dazu
entworfen ist, eine relativ große
Federkonstante zu verschaffen. Als Beispiel, und die verschiedenen
Eigenschaften der vorliegenden Erfindung nicht einschränkend, ist 1 eine Querschnittsansicht
einer Luftfeder 10 auf Konstruktionshöhe gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Die
Luftfeder 10 hat einen zylindrischen Rollbalg-Elastomerluftbalg 12.
Der Luftbalg 12 ist typischerweise aus wenigstens einer
Lage gummierten Verstärkungskords 14 konstruiert.
Der Luftbalg 12 ist an einem Ende an der oberen Wulstplatte 16 und
an dem zweiten Ende an einer unteren Wulstplatte 18 gesichert,
wodurch er eine druckbeaufschlagte Kammer 20 bildet. Die
Enden des Luftbalgs 12 sind um die umfangsgerichteten Kanten
der Wulstplatten 16, 18 aufgekröpft. Alternativ
können
die Enden des Luftbalgs 12 durch einen Kröpfring und
eine Kröpfrückhalteplatte,
die in der Technik herkömmlich
sind, gesichert sein. Das Kröpfen
der Enden des Luftbalgs 12 erzeugt einen Scharnierpunkt 22,
um den der Luftbalg 12 walkt, wenn die Luftfeder 10 in
Ausfederung und Einfederung ist. Die Luftfeder 10 kann
auch mit herkömmlichen
Elementen, wie etwa einer inneren Stoßstange 24 und Luftventilen 26,
siehe 2, versehen sein.
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Zur
Verstärkung
des Luftbalgs 12 kann wenigstens eine Schicht von Verstärkung 14 in
dem Balg 12 vorgesehen sein. Die Verstärkungsschicht 14 ist
aus herkömmlichen
Korden geformt, wie etwa Polyester, Nylon, Aramid, Glas oder Stahl;
das gewählte
Verstärkungsmaterial
wird von den Kräften bestimmt,
denen die Luftfeder 10 bei Anwendung ausgesetzt sein wird.
Länge und
Durchmesser des Balgs 12, und somit die Gesamtgröße der Luftfeder 10,
variieren abhängig
vom Endgebrauch der Luftfeder 10.
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Der
Balg 12 ist nicht umgürtet,
wie bei einer Faltenbalgluftfeder, sodass der Balg 12 sich
auf die nachstehend zu erörternde
Weise bewegen kann.
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Um
die obere und die untere Wulstplatte 16, 18 sind
Stützringe 28 montiert.
Die Stützringe 28 sind kreisförmig und
erstrecken sich um den vollen Umfang der Wulstplatten 16, 18.
Die Ringe 28 haben eine Kontaktfläche. Die Kontaktfläche wird
durch eine innere Seitenwand 30, eine Innenschulter 32, eine
Abrollfläche 34,
eine Außenschulter 36 und
eine äußere Seitenwand 38 definiert.
Jede Schulter 32,36 befindet sich dort, wo die
Richtungsebene der Oberfläche
sich ändert.
Die Abrollfläche 34 erstreckt
sich zwischen der Innenschulter 32 und der Außenschulter 36 und
hat eine Breite Wt.
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Die
Abrollflächenbreite
Wt ist derart, dass die Abrollfläche 34 sich
radial wenigstens bis zur maximalen Breite Ds des Luftbalgs 12 erstreckt.
Der Gesamtdurchmesser D4 des Wulstrings 28 ist wenigstens
gleich oder größer als
der Höchstdurchmesser Ds
des Luftbalgs 12, wenn die Luftfeder auf der Konstruktionshöhe ist.
Zusätzlich
ist, auf Konstruktionshöhe,
der axiale Abstand Wr zwischen den Abrollflächen der einander gegenüberliegenden
Ringe 28, gemessen an den äußeren Schultern 36,
wenigstens gleich der Abrollflächenbreite
Wt.
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Die
Höhe wenigstens
der inneren Seitenwand 30, gemessen ab der Basis des Rings 28 bis zur
Innenschulter 32, ist so, dass der Scharnierpunkt 22 des
Luftbalgs 12 axial auswärts
von der Innenschulter 32 relativ zur axialen Querschnittslinie
AL, die an dem maximalen Durchmesser Ds des montierten Luftbalgs 12 angeordnet
ist, gelegen ist. Aufgrund der relativen Position der Ringinnenschulter 32 und des
Balgscharnierpunkts 22 kommt der Luftbalg 12, wenn
die Luftfeder 10 auf Konstruktionshöhe ist, wie in 1 ersichtlich,
nur mit der Innenschulter 32 des Stützrings 28 in Kontakt
und liegt nicht auf der Abrollfläche 34 auf.
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2 illustriert
die Luftfeder 10' in
Einfederungsposition. Zum Vergleich zeigt sie auch die Luftfeder 10 auf
Konstruktionshöhe
und die Luftfeder 10'' auf voller
Ausfederungsposition.
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Wenn
die Luftfeder 10' zusammengedrückt wird,
da der Luftbalg 12 bereits mit dem Stützring 28 in Kontakt
kommt, so erhöht
der Luftbalg 12 den Kontakt mit der Abrollfläche 34,
siehe 2, und steigt der effektive Höchstdurchmesser des Balgs 12 rapide
an. Das Verhältnis
des Ringdurchmessers Dr zu dem Konstruktionshöhen-Höchstbalgdurchmesser Ds
und das Verhältnis
des Konstruktionshöhen-Ringabtrennabstands
Wr zur Abrollflächenbreite
Wt sind optimiert, sodass, wenn das Einfedern beginnt, der Balg 12 rasch
radial nach außen
gedrückt
wird. Somit verändert
sich die effektive Oberfläche
der Feder 10 rasch, wenn der Balgdurchmesser ansteigt.
Die Veränderung
der Nutzfläche
ist größer als
die Veränderung
in Federhöhe.
Somit steigt die Nutzflächen-Veränderungsrate
an, wodurch sie den Wert der Federkonstante k erhöht. Durch
Gestalten der Kontur der Abrollfläche 34 kann die Nutzflächen-Veränderungsrate "abgestimmt" werden, um jeglichen
gewünschten
Leistungsmerkmalen zu entsprechen, und andere beispielhafte Konturen
sind in den 3–6 gezeigt.
Vorzugsweise beträgt
das Verhältnis
Dr/Ds wenigstens 1,0 und ist das Verhältnis Wr/Wt nicht größer als
2,0.
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Wenn
das Zusammendrücken
der Luftfeder 10 andauert, stabilisiert sich die Nutzflächen-Veränderungsrate.
Jedoch ist, zu der Zeit, wenn dieser Punkt von der Luftfeder 10' erreicht wird,
das Volumen des Luftbalgs 12 ausreichend verringert, sodass die
Federkonstante k hoch bleibt.
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Bei
fast vollständiger
Einfederung, wenn die Luftfeder 10' in ihrer. meist komprimierten
Position ist, beginnt der Luftbalg 12 mit der äußeren Schulter 36 in
Kontakt zu kommen und beginnt der Balg 12, an den äußeren Seitenwänden 38 hinunter
abzurollen. Wenn der Balg 12 beginnt, an den Seitenwänden 38 hinunterzurollen,
so wird die Anstiegsrate des Innendrucks der Luftfeder 10' verringert.
An diesem Punkt beträgt
das Verhältnis
des Ringdurchmessers Dr zu dem Einfederungshöhen-Höchstbalgdurchmesser weniger
als 1,0 und bevorzugt weniger als 0,98.
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Der
Ring 28 kann eine Vielfalt von Konfigurationen aufweisen
und kann aus verschiedenen Materialien geformt sein, solange der
Ring 28 eine Kontaktfläche
mit einer Innenschulter, Abrollfläche und Außenschulter, worauf der Luftbalg 12 sich
während des
Einfederns bewegt, aufweist.
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Die
Ringe 28 von 1 haben eine offene Muldenkonfiguration.
Die Ringe haben einen radial innen verlaufenden Flansch 40 zum
Montieren der Ringe 28 an den Wulstplatten 16, 18.
Die Ringe 28 von 2 haben
eine massive Konstruktion mit einer Kontaktfläche, die im Wesentlichen gleich
den Ringen 28 von 1 ist. Die
Ringe 28 haben eine kleine, radial innere Lippe 42,
sodass die Ringe 28, wenn sie montiert ist, auf den Außenflächen der
Wulstplatten 16, 18 aufliegen.
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Die
Kontaktfläche
des Rings 28 von 3 hat eine
Mehrfachkontur-Konfiguration. Dieser Ring 28 ist ebenfalls
als massiv illustriert, kann jedoch als eine offene Mulde ausgebildet
sein, gleichartig dem Ring von 1, um das
Gewicht des Rings 28 zu verringern. Der radial innerste
Punkt des Rings 28 ist eine kleine Lippe 42 zum
Festhalten an den Wulstplatten 16, 18.
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Der
Ring 28 von 4 wird von zwei ausgestanzten
Metallstücken 44, 46 gebildet.
Das die Kontaktfläche
bildende Stück 44 ist
gleichartig. zu dem Ring 28 von 1. Das zweite
Stück 46 ist
an der offenen Wanne des ersten Stücks 44 gesichert,
um einen strukturell stabileren Ring 28 zu ergeben.
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Der
Ring 28 von 5 ist aus konventionellen thermoplastischen
Kunststoff- oder thermoaushärtenden
Materialien des zur Herstellung von Luftfederkolben verwendeten
Typs gebildet. Um die benötigte
erforderliche strukturelle Stabilität zu erhalten, ist der Ring 28 als
eine Serie von Akkordeonrippen 48 ausgebildet. Die Außenfläche des
Rings 28 nähert sich
der Kontaktfläche
der anderen beispielhaften Ringe 28 an und ermöglicht es
dem Luftbalg 10, sich auf die gewünschte Weise zu bewegen.
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Die 6 und 6A illustrieren
eine andere Variante des ausgestanzten Metallrings 28.
Der Ring 28 weist sowohl einen radial innen verlaufenden Flansch 40,
als auch einen radial außen
verlaufenden Flansch 50 auf. Der außen verlaufende Flansch 50 kann
um den Außenumfang
des Rings 28 durchlaufend sein, oder die Breite des Flanschs 50 kann variieren.
Wenn die Luftfeder 10 auf einer schmalen Fläche, wie
etwa einem Träger 52,
zu montieren ist, so hängen
die Ränder
der Luftfeder 10 über
den Träger 52 hinaus.
Zur Verschaffung zusätzlicher Verstärkung wird
die Flanschbreite an zwei entgegengesetzten Stellen auf eine Höchstbreite
erhöht,
welche Stellen dann mit dem Träger 52 in
Kontakt kommen, wenn die Luftfeder 10 montiert ist.